Материаловедение (куча курсачей) / ПРОИЗВОДСТВО ЗАГОТОВОК

повышенных требованиях взимается дополнительная плата (за размер проката, длину, кратность, диаметр, величину зерна, химический состав металла).

Благодаря приближению формы и размеров периодических профилей к готовой поковке (иногда к детали) достигается экономия металла и сокращение числа переходов при штамповке, повышаются производительность труда и лучше используются кузнечно-штамповочное оборудование. Применяемые в машиностроении специальные профили дают значительную экономию металла и при этом снижаются трудовые затраты на производство детали.

Исходный материал, поступающий на ОМД, может иметь дефекты. У деформированного (прокатанного) металла дефекты могут быть поверхностными и внутренними, которые для исходной заготовки нежелательны.

Поверхностные дефекты образуются из-за нарушения технологии прокатки или прессования и к ним относят: наружные трещины; продольные риски; волосовины; заусенцы; захват и смещение профиля. Поверхностные дефекты остаются на поковке, что требует увеличения припусков на обработку резанием, и они могут явиться причиной брака на поверхности поковки.

Внутренние дефекты имеют металлургическое происхождение и к ним относят: расслоение и рыхлости, представляющее собой усадочные раковины слитка, вытянутые на длину при прокатке; скопление неметаллических включений, в том числе огнеупоров; флокены - мягкие трещины, получающиеся от растворенного водорода. Внутренние дефекты неисправимы.

При обработке давлением, в качестве исходного материала, также широко используют сплавы на основе меди и алюминия, магния и титана.

Все детали в процессе эксплуатации в той или иной мере подвергаются воздействию внешних сил. Нагрузки, действующие на деталь во время работы, весьма разнообразны, они могут растягивать деталь или сжимать ее, изгибать или создавать кручение. При этом воздействия могут осуществляться плавно, постепенно (статически) или мгновенно (динамически), поэтому важным свойством материалов является прочность, характеризуемая максимальной нагрузкой, которую выдерживает материал при данном виде нагружения не разрушаясь. Для того чтобы узнать, удовлетворяет ли деталь предъявляемым к ней требованиям, производят специальные испытания. Вид испытания и характер его проведения указывают в технических условиях или на чертеже детали. Из механических испытаний наибольшее распространение получили следующие виды: на растяжение, на ударный изгиб и ударную вязкость, на выносливость, на твердость, на жаропрочность.

Воздействуя на материал, внешние нагрузки изменяют его форму, то есть деформируют его. Если к детали приложены сравнительно небольшие силы, под действием которых атомы в кристаллической решетке смещаются на расстояния, меньше межатомных расстояний и в соответствии с законом Гука после прекращения действия внешней силы атомы возвращаются в прежнее устойчивое положение, то есть деформация исчезает, и материал принимает свою первоначальную форму,. Свойство материалов принимать, после прекращения действия внешних сил, первоначальную форму, называется

упругостью, а деформация, исчезающая после снятия нагрузки, получила название упругой деформации.

Если к заготовке приложены усилия, под действием которых атомы в кристаллической решетке сместятся на расстояния, больше межатомных, то они занимают новое устойчивое положение, соответствующее положению атомов соседнего ряда. После прекращения действия приложенной силы атомы не возвращаются в прежнее положение, а занимают новое устойчивое положение. Следовательно, произошедшая деформация не исчезает, и заготовка остается деформированной, такая деформация называется пластической.

Способность материала деформироваться под действием внешних нагрузок не разрушаясь и сохранять измененную форму после прекращения действия усилий называется пластичностью. Таким образом, пластичность - это возможность металла изменять форму (деформироваться без нарушения целостности) при обработке давлением, причем, пластичность металла не только свойство материала, сколько его состояние, зависящее от многих факторов, основными из которых являются:

-химический состав (чистые металлы обладают большей пластичностью, а примеси снижают ее из-за образующихся дислокаций);

-температура деформации (при горячей штамповке сопротивление деформированию уменьшается от 10 до 15 раз, следовательно, пластичность материала повышается во столько же раз);

-степень и скорость деформации (с их повышением пластичность снижается);

-напряженно-деформированное состояние материала (при всестороннем сжатии пластичность существенно повышается, в таком состоянии даже хрупкий материал, такой как дуралюмин марки Д 16, приобретает пластичность).

Оценка качества металла при исследовании его на пластичность производится по состоянию поверхности после проведения тех или иных испытаний. Для объемной штамповки проводят испытания на расплющивание,

адля листовой штамповки - на изгиб или на перегиб исходного материала (лент, листов и полос толщиной до 4 мм). Технологические пробы, используемые для исследования металлов, стандартизированы.

Материалы, не способные к пластическим деформациям, называются хрупкими. Такие материалы при значительной нагрузке или под действием ударных нагрузок разрушаются внезапно.

Жесткие, прочные, стойкие к удару и нагреву детали изготавливают из конструкционной углеродистой или легированной стали /6/.

По качеству все стали по содержанию серы и фосфора подразделяют на обыкновенные (до 0,05 % S и 0,04 % Р), качественные (не более 0,04 % S и

0,035 % Р), высококачественные (не более 0,025 % S и 0,025 % Р) и особовысококачественные (не более 0,015 % S и 0,025 % Р).

Конструкционная сталь обыкновенного качества выпускается трех групп: А, Б, В и обозначается от ст.0 до ст.6. Качественная углеродистая

конструкционная сталь обозначается сотыми долями процента углерода, например, сталь 35.

Легированная конструкционная сталь обозначается буквенно-цифровым индексом, например, сталь марки 45ХН2А, где цифры 45сотые доли процента углерода, буквы - обозначение легирующих элементов Х - хром, Н - никель, цифра 2-процентное содержание элемента в легированной стали, никеля 2 %, отсутствие цифры указывает, что элемента ~1 %. Буквенное обозначение других легирующих элементов М - молибден, Ф - ванадий, Г - марганец, С - кремний, В - вольфрам, Т - титан, Ю - алюминий, Д - медь, Б - ниобий, Р - бор, К - кобальт. Значение буквы А зависит от ее места написания. В начале шифра буква обозначает автоматную сталь, в середине шифра – количество азота в сплаве, а в конце шифра - высококачественную сталь.

При разработке технологического процесса листовой штамповки необходимо учитывать способность стали к вытяжке и по этому признаку качественную конструкционную сталь подразделяют на три сорта: ВГ - для весьма глубокой вытяжки, Г - для глубокой вытяжки, Н - для нормальной вытяжки. Для деталей сложной конфигурации металлурги производят сталь марки ОСВ - для особо сложной вытяжки.

При разработке процесса штамповки следует уделять внимание вопросам экономии материала, так как в стоимости детали при штамповке стоимость металла составляет от 60 до 80 %.

При выборе материала для конкретной детали необходимо исходить из условия, что изготовленная деталь должна обладать достаточным запасом надежности и долговечности.

1.3 Технологичность конструкции детали

При разработке технологического процесса изготовления детали, из исходной, или предварительно подготовленной заготовки, необходимо знать возможности той или иной технологии и технологические свойства материала, то есть технологичность процесса и материала.

Работоспособность детали зависит от качества конструкционного материала, из которого она изготовлена. Материал, предназначенный для изготовления деталей, оценивается техническими и технологическими характеристиками, а изготовление деталей - экономическими. Первые оценивают пригодность материала, вторые – условия его обработки при изготовлении конструкции, третьи – стоимость, как самого материала, так и его обработки. Технологические свойства металлов – это часть их общих физических и химических свойств. Знание этих свойств позволяет более обоснованно проектировать и изготовлять детали с улучшенными для данного металла (сплава) качественными показателями.

К технологическим свойствам металлов относятся текучесть, пластичность, свариваемость, способность к упрочнению и обработке резанием. Изготовляют детали машин литьем, обработкой давлением (ковкой или

штамповкой), сваркой, обработкой резанием либо комбинацией указанных способов.

Технологический процесс - часть производственного процесса, содержащая целенаправленные действия по изменению и (или) определению состояния предмета труда (ГОСТ 3.11099-85) /7/.

Технологическим процессом ковки или горячей объёмной штамповки называют совокупность целенаправленных действий, непосредственно связанных с изменением размеров, формы и свойств исходной заготовки от момента поступления металла в обработку до получения готовой поковки. Данные технологические процессы состоят из ряда операций.

Под технологичностью детали, получаемой штамповкой, следует понимать такое сочетание основных элементов ее конструкции, которое обеспечивает наиболее простое и экономичное изготовление детали при соблюдении технических и эксплутационных требований к ней. Любая деталь машины, как и любой инструмент, должны обладать определенными, в зависимости от условий работы, механическими свойствами (прочностью, упругостью, пластичностью). Поэтому, технический документ (рабочий чертеж) детали должен учитывать в ее конструкции как требования, связанные с назначением и условиями эксплуатации изделия, так и требования технологичности. И, в частности, предусматривать возможность получения заготовки штамповкой, как наиболее эффективного и экономичного метода.

Основными видами получения заготовок обработкой металлов давлением для последующего изготовления деталей операциями резания являются: ковка и штамповка, причем, последняя подразделяется на объемную и листовую.

Кроме того, обработку давлением используют в технологических процессах производства деталей с их помощью на обработанных заготовках выполняют завершающие операции поверхностной пластической деформации, а также раскатку, накатку резьбы, зубьев и шлицев, и ремонтные работы при восстановлении деталей, вышедших из строя /8/.

Ковка – придание заготовке нужной формы за счет постепенного обжима ее по частям, путем неоднократного нанесения ударов по заготовке деформирующим инструментом, бойками (рисунок 3).

Штамповка (объемная и листовая) – это деформирование материала исходной заготовки в специальной оснастке (штампе), которая обеспечивает заданные фиксированные размеры по трем осям. Штамповка – это формообразование поковки в полостях штампа, называемых ручьями. Каждый штамп состоит не менее чем из двух частей (рисунок 3).

а - ковка; б - объемная штамповка; в - листовая штамповка (стрелками показано направление движения инструмента) 1 – нижний и 2 верхний бойки, 3 – обрабатываемая заготовка

Рисунок 3 - Основные виды получения заготовок и деталей операциями обработки металлов давлением

Из всех операций ОМД штамповка находит наиболее широкое применение в промышленности.

Под возможностью штамповки понимают способность материала подвергаться различным формоизменяющим операциям при обработке давлением, без разрушения и без ухудшения его эксплутационных свойств. О возможности материалов подвергаться штамповке можно судить по результатам испытаний механических свойств, выявляемых при растяжении стандартных образцов. Такими свойствами являются предел прочности σu, предел текучести σy, относительное удлинение δ и равномерное удлинение до появления шейки δравн.

Чем меньше σy,σu и их отношение σy/σu, тем больше δ и δравн и тем выше технологические свойства и возможность штамповки материала. Однако только

эти параметры не достаточно полно характеризуют возможности штамповки материалов и их уточняют путем комплекса технологических испытаний, моделирующих конкретные операции штамповки.

Возможность штамповки металлов в значительной степени зависит от структуры металла и текстуры деформации зерен кристаллов. Степень предварительного упрочнения и вид термообработки также сказываются на возможности штамповки. Первый, из указанных признаков, особенно важен для листовой штамповки, при которой получают детали, характеризуемые высокой точностью, и часто детали, полученные листовой штамповкой, не требуют дальнейшей механической обработки в отличие от заготовок деталей, полученных другими способами.

1.4 Основы пластической деформации

При обработке давлением, под действием внешних сил, в обрабатываемом материале возникают напряжения (σ) (внутренние силы, противодействующие внешним силам и уравновешивающие их.) и представляющие отношение приложенной силы (P) к площади ее действия (F)

Процессы упругой или пластической деформации и разрушения характеризуются диаграммами “деформация-напряжение” (рисунок 4), построенными на основании испытаний образцов на растяжение.

σ

МП

δ

%

Рисунок 1 - Диаграмма растяжения

Характер диаграмм общий для всех материалов и заключается в наличии трех зон, но каждый металл имеет свою диаграмму растяжения. Зона a – зона упругой деформации (после снятия нагрузки образец возвращается к исходному состоянию). Зона b – зона пластической деформации (образец имеет остаточные изменения). Зона с – зона разрушения образца. Величина каждой из зон и соотношение их размеров для каждого металла индивидуальны, что отражает свойства металла /9/.

До тех пор, пока эти напряжения незначительны и не превышают вполне определенной для каждого металла величины, происходит упругая деформация. При более существенных напряжениях атомы перемещаются на расстояния большие расстояний между атомами в кристаллической решетке и после снятия нагрузки они занимают новые устойчивые положения, тем самым, обеспечивая пластическую (остаточную) деформацию.

Количественно пластичность можно характеризовать величиной максимальной деформации, которую можно сообщить металлу до появления в нем разрушения.

Деформация происходит под действием сил вызывающих нормальные σ и касательные τ напряжения. Чем меньше напряжение и выше пластичность, тем

легче металл обрабатывается давлением. Напряжение определяется не на всей поверхности, а в точке, по трем взаимно перпендикулярным плоскостям.

В зависимости от направлений главных напряжений, схемы напряженных состояний бывают одноименными (+ растяжение или - сжатие) и разноименные, имеющие разные знаки.

По количеству и направлению действия главных напряжений определяют напряженное состояние, которое может быть одним из следующих:

-объемными О – действуют напряжения по терм осям;

-плоскими П – действуют напряжения по двум осям (двустороннее растяжение или сжатие и одновременное растяжение и сжатие);

-линейными Л – действуют напряжения по одной оси /10/.

Подобно схемам главных напряжений существуют схемы главных деформаций, их может быть всего три (рисунок 5).

а, б – объемные; в – плоская

Рисунок 5 - Возможные схемы деформированного состояния

По схеме а в одном направлении размеры деформируемого тела уменьшаются, а в двух других направлениях - увеличиваются, например при осадке. По схеме б размеры деформируемого тела увеличиваются в одном направлении за счет уменьшения размеров в двух других направлениях, например, при протяжке. По схеме в размеры деформируемого тела в одном направлении не изменяются. Уменьшаются во втором и увеличиваются в третьем направлении, например, вытяжка при листовой штамповке.

При обработке давлением чаще всего металл находится в объемном напряженном состоянии, но также встречается плоское напряженное состояние, например, при вытяжке листового материала.

Общая пластическая деформация поликристаллов, а это практически все применяемые металлы и сплавы, складывается из двух видов деформаций - внутрикристаллитной и межкристаллитной. Внутрикристаллитная деформация это скольжение и образование двойников в кристаллах, а межкристаллитная – это повороты и смещения зерен относительно друг друга /4/.

В результате обработки давлением зерна кристаллов частично раздробляются и вытягиваются в направлении наибольшего течения металла, что вызывает в материале текстуру деформации и приводит к его упрочнению. Превышение напряжений пластической деформации приводит к

возникновению трещин, то есть приводит к разрушению металла. Следовательно, при обработке давлением важно знать граничные условия деформирования, то есть те условия, до которых происходит пластическая деформация и после которых наступает разрушение.

При обработке металла давлением в нем протекают упрочняющие процессы и разупрочнение, вследствие рекристаллизации. В результате преобладания того или иного процесса, штамповку подразделяют:

-на горячую штамповку (рекристаллизация перекрывает упрочнение);

-на неполную горячую штамповку (рекристаллизация наблюдается не у всех деформированных зерен);

-на неполную холодную штамповку (рекристаллизации нет, но весь объем подвергается возврату);

-на холодную штамповку, которая характеризуется только упрочнением

иналичием остаточных напряжений.

В результате холодной пластической деформации структура металла становится мелкозернистой и полосчатой, то есть образуется текстура деформации, что влечет за собой деформационное упрочнение металла. При этом возрастают твердость, предел текучести, предел прочности, снижаются пластичность и ударная вязкость, изменяется электропроводимость и магнитная проницаемость.

На параметры деформации влияют следующие факторы:

1.Химический состав – чистые металлы имеют большую пластичность, а примеси в металлах снижают пластичность. Особо вредными примесями являются сера и фосфор. Сера на границах зерен приводит к образованию трещин (зона красноломкости), а фосфор вызывает хладноломкость. Также вредными являются примеси кислорода и водорода.

2.Скорость и степень деформирования также влияют на пластичность металла. Влияние на пластичность и сопротивление деформированию скорости

истепени деформирования имеет сложный характер и в каждом частном случае учета их влияния необходимо обращаться к специальной литературе.

3.Влияние напряженного состояния на пластичность и деформацию является определяющим. В условиях всестороннего неравномерного сжатия напряженное состояние обеспечивает увеличение пластичности материала и возможна, например, пластическая деформация выдавливанием без разрушения целостности традиционно хрупкого металла - чугуна.

4.Наличие и вид смазочного материала уменьшает контактное трение между оснасткой и заготовкой и способствует лучшей деформации.

5.Влияние температуры на процесс деформации показано выше.

При нагреве упрочненного металла до 0,4 температуры плавления (Tпл) происходит рекристаллизация, приводящая к разупрочнению, то есть восстанавливаются начальные прочностные свойства металла.

Правильный выбор вида обработки и параметров деформации (температуры, степени и скорости деформирования, смазывающего материала) является основой для получения деталей с наилучшими эксплуатационными свойствами /6/.

2 Проектирование поковки

2.1 Основные положения выбора оптимальной заготовки

Выбор способа получения заготовки – всегда очень сложная, подчас трудно разрешимая задача, так как различные способы часто могут обеспечить технические и эксплуатационные требования, предъявляемые к детали. Выбранный способ получения заготовки должен быть экономичным, обеспечивающим высокое качество детали, производительным и нетрудоемким процессом. Оценку целесообразности и технико-экономической эффективности применения того или иного способа получения заготовки необходимо проводить с учетом всех его как преимуществ, так и недостатков.

Многообразие способов получения заготовок приводит к тому, что выбор способа получения заготовки становится сложной технико-экономической задачей. Для получения заготовок в машиностроении наиболее широко применяют следующие методы: литье, обработку металлов давлением и сварку, а так же комбинации этих методов. Однако каждый из методов содержит большое число способов получения заготовок. Например, метод обработки металлов давлением включает в себя все технологические процессы, которые основаны на пластическом формоизменении металла - прокатку, ковку, волочение, штамповку (объемную и листовую), порошковую металлургию, переработку пластмасс.

При выборе метода получения заготовки для конкретной детали необходимо ориентироваться, в первую очередь, на материал заготовки и требования к детали /12/, при этом, прежде всего, следует определить, каким методом наиболее целесообразно получать заготовку с точки зрения обеспечения эксплуатационных свойств. Особо ответственные детали, к которым предъявляются высокие требования по размеру зерна, направлению волокон, а так же по уровню механических свойств, надо делать из заготовки, полученной обработкой давлением/13/.

На выбор способа получения заготовки влияет много факторов и при выборе того или иного способа руководствуются в качестве основных следующими характеристиками /12/.

-Размерами (массой и конфигурацией) детали. Они играют решающую роль, так на универсальном оборудовании для горячей объемной штамповки не представляется возможным получение поковок массой более 50 кг (изредка до

200 кг).

-Качеством поверхности заготовок. Совершенствование процессов ковки

иштамповки позволяет получать заготовки, параметры шероховатости поверхности и точность размеров которых соответствуют величинам, достигаемым при механической обработке, при полировании. Специальные и дополнительные виды штамповки (холодное выдавливание, листовая штамповка и калибровка) обеспечивают получение деталей машин, пригодных для сборки без дополнительной обработки резанием.